聊聊你周圍無處不在的中微子每日速讀

發布時間：2023-04-25 02:32:53 來源：中科院物理所

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楊金磊，中科院理論物理研究所19級博士研究生。

(資料圖片)

導師：張肇西研究員

研究方向：粒子物理與場論

中微子和電子一樣都是費米子（費米子是自旋為半整數的粒子），是存在自然界最基本的粒子之一，但和電子不同的是中微子是電中性的（不帶電），而且中微子的質量不到電子質量的500萬分之一。

在地球上，時時刻刻都有無數個中微子穿透我們的身體，甚至大約每秒鐘就有10億個中微子穿過我們的眼睛，這些數量極大的中微子大部分來自于太陽（其他部分來源：宇宙射線、核反應堆等），是由太陽內部的聚變反應產生的。

那為什么這些中微子穿透人體之后不僅沒有造成任何傷害，而且被穿透的人也沒有任何感覺？這是因為中微子是電中性的，不參與電磁作用，只參與非常弱的弱作用，所以會直接穿透人體而不發生任何反應。不僅如此，來自太陽的中微子到達地球后絕大部分也都會直接穿透地球繼續傳播（被地球擋住的概率只有100億分之一）。那么這樣一個“看不見摸不著”、質量極小、穿透力極強又無法通過常規電磁手段觀測的粒子是怎么發現的呢？

中微子的發現繞不開一個非常重要的過程: β衰變。在19世紀末，法國物理學家Henri Becquerel發現了鈾的衰變之后，科學家們就開始關注原子核的 β衰變過程。

圖1：中子衰變成質子、電子和反電子中微子的過程，即β衰變過程。

剛開始，原子核β的衰變過程被認為是一個原子核衰變成另一個電荷+1的原子核并放出一個電子，即： (A,Z)→(A,Z+1)+e? 。根據能動量守恒，這個放出來的電子的能譜一定是不連續的。但令人驚訝的是，1914年的測量結果表明衰變所放出電子的能譜是連續的（原子核衰變是不同核能態之間的躍遷，如果末態只有子原子核和電子的話，那么電子能譜應該是量子化的，即測量得到的電子能譜應該是離散的，而不是連續的）！這個結果在1920年的測量中得到了進一步的證實。當時著名的丹麥物理學家Bohr認為，這個實驗結果表明能量不一定是守恒的，顯然這個觀點在后來被證實是錯的（目前未觀測到任何表明能量不守恒的現象）。1930年奧地利理論學家Pauli提出了另外一個觀點，他假設存在一個非常輕、自旋為1/2的電中性粒子，在β衰變過程中帶走了一部分能量，導致了電子能譜是連續的，即真正的衰變過程應該是 (A,Z)→(A,Z+1)+e?+v1ˉ,這個就是我們現在所說的電子反中微子，即第一代中微子的反粒子。

Pauli提出的這個假設開啟了中微子領域的研究。1936年德國物理學家Hans Bethe提出通過逆 β衰變過程

來證明電子反中微子的存在。1956年美國實驗學家Frederick Reines和Clyde Cowan首次完成了反應堆反中微子實驗，驗證了Pauli的假設，他們的發現獲得了1995年的諾貝爾物理學獎。1962年，美國實驗學家Leon Lederman、Melvin Schwartz和Jack Steinberger通過新的加速器實驗發現了第二代中微子v2，并獲得了1988年的諾貝爾獎。1967年美國理論學家Weinberg和Salam將Higgs機制引入了Glashow的弱電理論，建立了我們所熟知的粒子物理標準模型，預言了存在第三代中微子v3。在標準模型里面，中微子是無質量的，且不同代的輕子之間沒有混合（所謂混合，就是指中微子在傳播的過程中會改變代數，例如在源處產生的第一代中微子 v1在傳播過程中由于量子相干效應可能會在探測器處變成第二代中微子 v2 ，也可能會變成第三代中微子 v3 ）。1968年對太陽中微子的觀測表明，太陽中微子的含量小于標準太陽模型的理論預言，這是第一個實驗觀測表明中微子有很小的質量，且不同代的中微子之間可以相互轉化。2000年，美國費米實驗室宣布發現了第三代中微子 v3，這是標準模型預言的最后一個被發現的輕子。至此，我們所知道的三代中微子全部被發現。

在中微子被發現的過程中我們提到了1968年對太陽中微子的測量，這是第一個表明中微子有質量且會振蕩的實驗現象。

圖2：中微子振蕩現象，即三代中微子之間可能會相互轉化。

后來又進行了一系列實驗進一步測量了中微子的振蕩現象，如我國的大亞灣中微子實驗（反應堆中微子實驗）、日本的Kamlanzen、美國的MINOS等。現在中微子振蕩現象的測量取得了巨大的進展，已經測得三代中微子之間的質量平方差為

在上式中 NH（normal hierachy）表示三代中微子的質量是正常順序，即 m_v1 < m_v2 < m_v3, IH（inverse hierachy）表示三代中微子質量是反常順序，即 m_v3 < m_v1 < m_v2,這表示現在已經取得的中微子振蕩實驗觀測結果還無法確定三代中微子的質量順序（確定中微子的質量順序也是未來中微子實驗的重要目的之一）。三代中微子之間的混合角為

雖然我們已經測到了三代中微子之間的混合角，但是現有的實驗結果仍然無法給出中微子混合的CP相角。

從上面的實驗測量結果我們可以看出中微子不僅有非常小的質量，而且三代中微子之間有混合（振蕩）的現象。但是前面提到了，在標準模型里中微子是沒有質量的，因為在標準模型里面中微子沒有右手分量，所以不能像其他的費米子一樣通過Higgs機制獲得質量，自然也就不會振蕩。那么中微子究竟是如何獲得質量的呢？研究中微子的質量起源以及中微子性質是現在理論物理研究最重要的方向之一。我們現在仍然無法確定中微子的是Dirac粒子（正反粒子不同，標準模型中預言的中微子是Dirac粒子）還是Majorana粒子（正反粒子都是自身）。從這兩種中微子的性質出發，中微子在理論上有不同獲得質量的方式：

一、Dirac粒子：

如果中微子是Dirac粒子，那么中微子獲得質量最簡單的方式是直接在標準模型中引入右手單態中微子vR~(0,0,1)，其中 (0,1,1)分別表示弱荷為 0、 SU(2) 單態和 SU(3) 單態。然后中微子就可以像其他的費米子一樣通過Higgs機制獲得質量：

其中 Yv是相應的湯川耦合系數、 v≈246GeV是Higgs場的真空期望值。通過引入右手單態使中微子像標準模型中的其他費米子一樣獲得Dirac質量，但是不一樣的是這樣引入的右手中微子單態弱荷為0，即除了湯川相互作用，右手中微子不參與任何弱相互作用。除此之外，通過這種方式得到的中微子質量，必須滿足中微子振蕩實驗和PLANK對中微子質量的約束，這就要求 Yv<10?12，如此小的耦合常數在理論物理學家們看來是不自然的。

二、Majorana粒子

另外一種使中微子獲得質量的方式是引入Majorana質量項，通過see-saw機制（“蹺蹺板機制”）使中微子獲得輕Majorana質量。

圖3:“蹺蹺板”機制

這個方式最開始是由著名的理論物理學家Weinberg提出，也是目前中微子在大部分新物理模型中獲得質量的主要方式。典型的Type-I seesaw就是通過引入右手的中微子單態和新的標量場，新的標量場破缺之后使新引入的中微子右手單態獲得大Majorana質量項 MR。結合Dirac質量項 MD，相互作用本征態下中微子的質量矩陣形式為

在上式中 n表示新引入的中微子右手單態數量。近似對角化之后可以得到三代輕中微子的質量矩陣約為

從上面的表達式可以看出，之所以這種機制被稱為蹺蹺板機制，就是因為通過大的 MR在分母上，將Dirac質量項 MD“蹺”起來自然的得到很輕的中微子質量。

雖然現在的實驗還不能確定中微子的性質和質量起源，但是理論物理學家們關于中微子的研究一直在推進，提出了更多的中微子質量起源方式（如Type II see-saw、Type III see-saw、inverse see-saw等），也廣泛地研究了中微子獲得質量后所引起的可觀測效應（如原子核的無中微子雙貝塔衰變、介子輕子味改變衰變、重子輕子味改變衰變、同號輕子對撞機上的輕子味改變過程和輕子數改變過程等），實驗觀測也在如火如荼地進行。期待不久的將來，實驗測量結果能告訴我們更多關于中微子的秘密！

參考文獻（滑動查看）

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